Histoire du télescope

L'astronomie est un domaine où le développement des instruments optiques est important, car elle demande des télescopes de plus en plus performants pour voir de plus en plus loin. L'astrophysicienne peut donc accomplir plus efficacement la tâche qu'elle a de découvrir notre univers à mesure que les télescopes qu'elle utilise se perfectionnent.

Lunette d'approche

Les principes optiques de fonctionnement du télescope ont été décrits pour la première fois au 13e siècle par le scientifique anglais Roger Bacon. Cependant, il a fallu attendre jusqu'en 1608 pour qu'ils soient appliqués. Il est généralement reconnu que la lunette d'approche a été inventée cette année-là par Hans Lippershey, un fabricant de lunettes de Middleburg, en Hollande. On s'entend au moins pour dire que c'est lui qui l'a commercialisée. Il est possible qu'il ait volé l'invention à deux enfants qui s'amusaient dans son magasin avec des lentilles, mais cela reste à prouver. Ces enfants auraient réalisé que lorsqu'ils tenaient deux lentilles ensembles devant leur oeil, la girouette de l'église semblait plus rapprochée. Lippershey aurait alors tenté l'expérience en installant une lentille convergente et une lentille divergente dans un tube pour finalement se rendre compte que cela fonctionnait. C'est ainsi que s'est fait l'invention de la longue-vue.


Lippershey, inventeur officiel du premier ancêtre du télescope

Au moment où Lippershey tentait de faire breveter sa longue-vue, au moins deux autres Allemands prétendaient l'avoir déjà inventée. Il y avait même des rumeurs selon lesquelles elle existait déjà au 16e siècle, mais Lippershey fut le premier à la décrire par écrit. Cependant, il n'a jamais pu faire breveter son invention, car elle fut considérée comme trop importante pour être gardée secrète.

Évolution du télescope

Tube optique

Eh oui! Au début, le télescope se nommait tube optique. Ce n'est qu'en 1650 qu'on adopta le nom de télescope, qui avait été proposé par le mathématicien grec Ioannes Dimisiani en 1612. À ses débuts, le télescope était principalement utilisé par les militaires, pour voir s'approcher l'ennemi. Galilée, en 1609, fut le premier à utiliser la lunette d'approche afin de faire des observations astronomiques.


Reproduction du télescope de Galilée

Grâce à cet appareil, Galilée découvrit les montagnes et cratères de la Lune, les phases de Vénus, les taches solaires et la nature étoilée de la Voie Lactée. En observant Jupiter, Galilée réalisa que cette planète avait quatre satellites. Or, comme ceux-ci n'étaient pas en orbite autour de la Terre, il en déduisit qu'il devait y avoir plus d'un centre de mouvement dans le système solaire. De plus, l'utilisation de son télescope lui permit de prouver que la Terre était ronde, ce qui scandalisa la communauté religieuse de ce temps. Même s'il a dû se rétracter, les gens finirent par accepter les faits. À l'époque, on croyait en fait au géocentrisme, autrement dit, que tout tournait autour de la Terre. Cependant, avec ses observations des phases de Vénus, Galilée put conclure que la théorie de Ptolémée, un savant de l'Antiquité, était fausse et que la Terre n'était pas le centre de l'univers. Il adhéra aux idées de Copernic et crut que tout tournait autour du Soleil, soit l'héliocentrisme.


Galilée fit la plus grande des découvertes grâce à la lunette optique

Réfracteur

Dans ce type de télescope, la lumière est focalisée par l'objectif qui est une lentille convergente. Une deuxième lentille sert d'oculaire. Cette lentille est divergente et sert à rendre les rayons lumineux parallèles pour que l'observation soit confortable pour les yeux.

Le plus gros télescope de ce type jamais construit a environ 1 m de diamètre. Il est impossible d'en construire de plus grands étant donné les trop grandes déformations qu'ils produiraient. De plus, les lentilles auraient une telle masse qu'elles se déformeraient sous leur propre poids.


Parcours des rayons lumineux dans un réfracteur

Cependant, le réfracteur avait deux défauts majeurs qui devaient être corrigés. Le premier est l'aberration sphérique car la courbure sphérique des lentilles, quoique facile à faire, ne permet pas aux rayons de converger en un seul point; l'image est donc floue. La seconde, l'aberration chromatique, relève du fait que chaque couleur a son propre point focal et qu'un anneau de couleur se forme autour des objets observés.

Réflecteur Newtonien

Le principe de ce télescope à miroir fut suggéré en 1663 par James Gregory, mais Newton fut le premier à le mettre en pratique; en utilisant un miroir concave pour faire converger les rayons, Newton résolut le problème de l'aberration chromatique. Ce type de miroir, qui est d'ailleurs encore utilisé de nos jours malgré l'existence d'autres systèmes, est fort simple : la lumière est réfléchie tout d'abord vers le haut par le miroir primaire qui a une forme parabolique, puis sur le côté par un miroir plat placé à 45°. Elle termine finalement sa course dans l'oculaire où des lentilles servent à redresser l'image. Le premier réflecteur que Newton construisit à l'aide d'un miroir de 2,5 cm de diamètre, fut présenté à la Société royale d'astronomie en 1671.


Le réflecteur conçu par Newton

Le miroir principal était initialement fait de bronze. Ensuite, le chimiste allemand Justus Liebig inventa une façon de vaporiser une fine couche d'argent sur du verre. L'avantage de l'argent est qu'il s'oxyde moins vite que le bronze, mais comme il est beaucoup plus dispendieux, il était impossible de faire des miroirs en argent massif. Finalement, en 1918, on découvrit l'aluminium, qui réfléchit la lumière à 82 %, contre 65 % pour l'argent, et il fut utilisé pour être vaporisé sur la surface des miroirs.

Au cours du 18e siècle, les télescopes ne cessèrent de grossir. À partir de 1774, d'excellents instruments furent construits par William Herschel, un astronome allemand qui habitait en Angleterre. Avec un de ses télescopes, il découvrit d'ailleurs la planète Uranus (1781) et, en 1789, il finit la construction d'un réflecteur de 122 cm de diamètre qui fut le plus gros télescope au monde jusqu'en 1845.

Cassegrain

Dans le télescope Cassegrain, la lumière arrive sur le miroir primaire (parabolique concave) et est réfléchie vers le centre où un autre miroir (convexe) la renvoie vers le bas, dans l'oculaire. À cette étape, la lumière est réfléchie dans le tube à travers un trou dans le miroir central et l'image est agrandie par l'oculaire à l'aide de lentilles. Dans certains cas cependant, il n'y a pas de perforation dans le miroir principal et un deuxième miroir est ajouté pour diriger les rayons vers le côté du tube : c'est le télescope Coudé. Ce qui est intéressant dans ce type de télescope, c'est qu'il peut donner un agrandissement important de l'image, qu'il a un tube court et qu'il est facile à manipuler.


Télescopes de type Cassegrain et de type Coudé

Un télescope hybride entre le réflecteur et le réfracteur est le Schmidt-Cassegrain. C'est en fait un télescope de type Cassegrain auquel on a ajouté une lentille de type Schmidt à l'objectif. Il fonctionne comme un réflecteur, mais la lentille a pour effet de compenser pour l'aberration sphérique causée par le miroir. Ce télescope doit son nom à son inventeur, Berhard Voldomar Schmidt, un opticien russe-allemand.


Parcours des rayons lumineux dans un télescope de type Schmidt-Cassegrain

Réalisations plus récentes

Les principales réalisations récentes n'ont pas été faites dans le domaine visible du spectre électromagnétique. Grâce aux progrès des dernières décennies en électronique, en optique et en aérospatiale, il est maintenant possible d'observer le ciel dans d'autres régions du spectre. On étudie maintenant les infrarouges, les micro-ondes, les ondes radio et, depuis l'avènement de l'ère spatiale, les rayons X et les rayons g provenant de l'espace. Plusieurs avancées technologiques ont tout de même eu lieu dans le domaine du visible, entre autres avec des télescopes de plus en plus grands.

Les radiotélescopes

Les radiotélescopes servent à capter les signaux radio provenant de l'espace. Certains sont utilisés en réseau afin d'augmenter leur pouvoir de résolution (soit leur capacité à observer des objets qui nous semblent très petits). Des radioastronomes ont d'ailleurs déjà mis en réseau plusieurs radiotélescopes à travers le monde pour obtenir la puissance d'un seul radiotélescope de la grandeur de la Terre. Le réseau le plus connu est certainement le VLA (Very Large Array). Il est composé de 27 radiotélescopes mobiles qui s'étendent sur 36 km et sert principalement au SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) dans sa recherche de signaux extraterrestres. Ce sont d'ailleurs ces radiotélescopes que l'on voyait dans le film Contact, qui mettait en vedette Jodie Foster. La découverte des pulsars, ces astres qui émettent des signaux radio très réguliers, s'est faite grâce aux radiotélescopes. Les astronomes croyaient au départ que de tels signaux ne pouvaient être émis que par une forme de vie intelligente, ce qui a valu aux pulsars le surnom de Little Green Men (petits hommes verts).


Le VLA, au Nouveau-Mexique

Le plus grand radiotélescope au monde a été construit à Arecibo, à Puerto Rico, et a un diamètre de 305 m. Il a été utilisé dans le film Golden Eye, le premier James Bond dans lequel jouait Pierce Brosnam. Cependant, contrairement à ce que l'on voit dans ce film, ce télescope est fixe et il observe toujours la même bande de ciel.

La participation du Canada

Le Canada participe à plusieurs projets de grands télescopes. Il collabore, entre autres, à la gestion de l'observatoire Canada-France-Hawaii qui est situé au sommet du Mauna Kea, à Hawaii. Ce télescope a été inauguré en 1979 et il a un diamètre de 3,58 m. Un projet plus récent est celui des Geminis. Il comporte deux télescopes de 8,1 m situés respectivement dans la cordillère des Andes, au Chili, et sur le volcan Mauna Kea, à Hawaii. Les miroirs de ces deux télescopes ont été construits à partir de plusieurs blocs hexagonaux et ont été optimisés pour l'observation de sources infrarouges. Ce projet est un des plus récents dans le monde des télescopes géants, puisque l'observation au télescope Nord a débuté en juin 2000. L'observation au télescope Sud devrait débuter au cours de l'année 2001.


L'observatoire Gemini Nord

Le télescope le plus puissant de l'Est de l'Amérique du Nord

Un observatoire plus près de nous est celui du mont Mégantic. Cet observatoire est la propriété de l'Université de Montréal et est administré en collaboration avec l'Université Laval. C'est certainement un des grands télescopes les plus accessibles puisqu'il permet à tous les étudiants en astronomie d'y faire un stage. Cet observatoire comporte un télescope de 1,6 m de diamètre, ce qui le place au troisième rang au Canada. Il est en fonction depuis 1979.

Particularités d'un bon télescope

Un bon télescope doit tout d'abord avoir un miroir principal quasi-parfait, ce qui est loin d'être facile à concevoir. Par exemple, une petite erreur lors de la fabrication du miroir du télescope spatial Hubble l'a rendu myope. Les images qu'il produisait étaient floues. Une fois le télescope rendu dans l'espace, il a fallu le réparer en ajoutant des instruments correcteurs pour lui rendre une vision normale, comme les lunettes que les optométristes prescrivent aux gens atteints de myopie. Un bon télescope doit aussi posséder un fort grossissement, ce qui requiert une grande longueur focale, donc un long télescope, ce qui impose certaines limites. Par exemple, le miroir du télescope Hale, de l'observatoire du mont Palomar, a une distance focale de 16,8 m, ce qui signifie que le télescope devrait avoir une longueur d'au moins 16,8 m. Ce problème a été partiellement résolu avec l'apparition des télescopes de type Cassegrain qui sont plus courts pour une même longueur focale.


Télescope de l'observatoire anglo-australien

Le télescope idéal doit aussi avoir un grand diamètre, ce qui comporte aussi des limites, car plus la structure du télescope est lourde, plus elle tend à se déformer, ce qui affecte la qualité des images. Cependant, le grand diamètre du télescope augmentera son pouvoir de captation de la lumière, ce qui produira une image plus précise et entraînera un meilleur pouvoir de résolution permettant de montrer de plus petits détails. Le fait de capter plus de lumière permet aussi d'observer des objets moins brillants en un plus court laps de temps. Le temps d'observation requis pour une bonne image étant réduit, on peut observer plus d'objets au cours d'une même nuit. Le fait d'avoir un télescope de grand diamètre nous permet aussi de contourner le problème de la diffraction qui limite le pouvoir de résolution du télescope à de forts grossissements. La diffraction se produit lorsque la lumière change de direction après avoir rencontré un obstacle ou une ouverture dont la dimension est équivalente à sa longueur d'onde. Les minuscules imperfections de la surface à l'ouverture du tube du télescope suffisent à diffracter la lumière incidente et à brouiller l'image.

L'atmosphère terrestre est un autre obstacle majeur à l'observation astronomique. Il y a tout d'abord les turbulences atmosphériques qui affectent grandement le pouvoir de résolution des télescopes sur Terre. Les turbulences de l'air sont des masses d'air qui se déplacent : certaines sont chaudes et s'élèvent, d'autres sont froides et descendent. Ces masses d'air n'ont pas une densité uniforme; elles présentent donc un indice de réfraction qui n'est pas le même en tout point, ce qui fait varier la direction des rayons lumineux. Les images obtenues sont alors floues et paraissent parfois « danser ». C'est à cause de ces mêmes turbulences que les étoiles semblent scintiller et même changer de couleur. Pour contourner ce problème, on place les grands observatoires en altitude, au sommet de montagnes, où la couche d'air est moins grande et où la température est assez constante. Les turbulences ont donc moins de chance de se former.

En fait, plus le télescope est en altitude, mieux il capte les ondes lumineuses et moins les sources secondaires de lumière viennent perturber les lectures. C'est pour cette raison que la pollution lumineuse est un sujet qui préoccupe beaucoup les astrophysiciennes. Ce phénomène est causé par la diffusion de la lumière par l'air et par la vapeur d'eau de l'atmosphère. Cette lumière provient des lampadaires et des nombreuses autres sources d'éclairage que l'on retrouve en ville et sa diffusion finit par illuminer le ciel. C'est pourquoi, en ville, le ciel est rarement noir et devient presque rosé lorsqu'il y a des nuages. De plus, quiconque ayant déjà observé le ciel à la campagne sait qu'il y a beaucoup plus d'étoiles. C'est parce qu'en ville, la lumière secondaire éclaire le ciel et les étoiles faibles disparaissent dans la lueur ambiante. C'est une autre raison pour laquelle les observatoires sont souvent placés en altitude, loin des villes. De plus, comme l'air y est généralement plus sec, la lumière provenant de sources secondaires est moins diffusée dans l'atmosphère et interfère donc moins avec les observations astronomiques.


Le télescope spatial Hubble

Pour ces deux raisons, les astronomes ont décidé de s'affranchir de l'atmosphère terrestre en plaçant un observatoire, le télescope spatial Hubble, dans l'espace. Grâce à lui, il est possible d'avoir une résolution vingt fois supérieure à celle obtenue sur Terre, même avec un diamètre moindre. Les observatoires en orbite présentent un autre avantage intéressant : il y est possible d'observer des sources qui émettent des ondes lumineuses qui sont absorbées par l'atmosphère. C'est le cas des rayons X, des ultraviolets et des infrarouges. On a donc envoyé plusieurs observatoires dans l'espace pour étudier ces sources de lumière et ainsi mieux comprendre notre univers. Certains ont aussi parlé de construire des radiotélescopes géants sur la face cachée de la Lune pour fuir la pollution radio que l'on retrouve sur Terre.

Enfin, il est souhaitable qu'un télescope soit installé dans un endroit où le climat est assez clément, comme c'est le cas à Hawaii. Ce qui rend cette région intéressante pour les astronomes, c'est qu'on y trouve de hauts volcans où l'on peut installer des observatoires sans être ennuyé par les nuages, tout en étant relativement accessibles, contrairement aux hauts sommets de l'Himalaya.

Le futur des télescopes

Les télescopes représentent un domaine en développement car plus on découvre notre univers, plus on se rend compte que nos connaissances sont limitées. Les télescopes sont de plus en plus gros, de plus en plus sophistiqués, et certains sont même dans l'espace. De nombreux projets d'observatoires sont présentement à l'étude. On parle déjà du successeur de Hubble, le Next Generation Space Telescope, qui devrait être mis en orbite au début de la prochaine décennie. Il est aussi question d'un télescope terrestre géant de 30 à 50 m de diamètre, mais aucun projet n'a encore été lancé.

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